Contexte

L’ébullition dite nucléée est un phénomène très efficace pour les transferts de chaleur. Elle est donc intentionnellement utilisée dans les échangeurs de chaleur ou les supercalculateurs. Elle peut aussi être bénéfique comme mécanisme de sauvegarde dans des dispositifs fonctionnant normalement avec un fluide monophasique, comme un réacteur nucléaire. Néanmoins, quand le flux de chaleur atteint une certaine valeur appelée flux critique (CHF), il y a une transition vers l’ébullition dite en film, suivie d’une forte augmentation de la température de paroi : c’est la crise d’ébullition. Cette augmentation de température est fortement préjudiciable pour les structures et c’est pour cela que la crise d’ébullition est un critère dimensionnant pour tout système fluide de forte puissance.

Bien que la crise d‘ébullition ait été largement étudiée, les mécanismes fondamentaux sont toujours mal compris, en particulier lors de transitoires de puissance. De ce fait, peu de modèles existent pour décrire ce phénomène. Dernièrement, une thèse [1] a été réalisée dans le but d‘améliorer la compréhension des mécanismes physiques entraînant la crise d’ébullition dans ces conditions. Un modèle mécaniste original a alors été proposé en appliquant le premier principe de la thermodynamique à un système simplifié. Dans la continuité, une thèse [2] a proposé d’appliquer le deuxième principe de la thermodynamique pour fermer le système d’équations. En particulier, l’utilisation de l’enthalpie libre pour caractériser la crise d’ébullition transitoire semble prometteuse, car pouvant être interprétée comme l’apparition d’un puits de potentiel thermodynamique.

Objectifs

Le but de ce stage est d’explorer, sous l’angle du modèle proposé, les possibilités de fermetures thermodynamiques au problème de la crise d’ébullition transitoire. En faisant des analogies à d’autres domaines de la physique et de la chimie, l’étudiant utilisera son sens physique pour proposer des grandeurs thermodynamiques permettant de rendre compte de la dynamique du transitoire et de caractériser les différents changements de régime. Pour cela, il ou elle pourra s’appuyer sur les données expérimentales obtenues dans le cadre de la thèse [1], dans des conditions de réacteurs nucléaires de recherche, et sur des scripts Python réalisés durant la thèse [2].

Ainsi, le programme de travail s’articulera comme suit :

- Prise en main de la base de données expérimentale et compréhension de la physique

- Analyse des expériences sous l’angle du nouveau formalisme thermodynamique

- Proposition de critères de fermeture

Références

[1] R. Nop. Experimental investigation and modeling of the transient flow boiling crisis of water at moderate pressure and high subcooling. Fluid mechanics. Université Paris-Saclay, 2020. 

[2] E. Roumet. Modélisation de la crise d'ébullition en transitoire rapide avec remontée d'échelle pour la sûreté des réacteurs de recherche. CNAM, 2026.

Sens physique, Thermodynamique, Mécanique des fluides, Transfert thermique. Une expérience avec l’environnement UNIX et de Python serait apprécié.